Kristalle für mehr Sonnenstrom

von DIRK EIDEMÜLLER

Perowskite gelten schon lange als eine interessante Klasse von Materialien. Die Kristalle, die in der Natur recht häufig als Mineralien vorkommen, weisen aufgrund ihrer speziellen inneren Struktur ganz besondere Eigenschaften auf. In der Natur kommen sie recht häufig als Mineralien vor. Sie enthalten typischerweise Kalzium und Titan, haben eine kubische Kristallform und schwarze bis rotbraune Farbe.

In der Industrie kommen Perowskite bislang nur in wenigen Anwendungen zum Einsatz – zum Beispiel in keramischen Kondensatoren. Doch das könnte sich bald dramatisch ändern. Denn Perowskite ermöglichen eine einzigartige Kopplung von Licht und elektrischem Strom. Schon seit einigen Jahren sind verschiedene Arten von Perowskit-Solarzellen in der Entwicklung, die nicht nur eine hohe Stromausbeute versprechen, sondern auch günstig herzustellen sind (siehe bild der wissenschaft 4/2021, „Hocheffizient und vielseitig“).

Denn im Gegensatz zu den gängigen Solarzellen aus kristallinem Silizium lassen sich Perowskit-Solarzellen aus einer sehr dünnen Schicht herstellen. Das spart Material, und auch die Produktionsmethoden sind nicht so aufwendig wie bei herkömmlichen Zellen. Während Silizium bei hoher Temperatur vorsichtig aus der Schmelze gezogen werden muss, lassen sich Perowskite einfach dreidimensional drucken oder aus einem Gas heraus abscheiden.

Allerdings: Das große Problem von Perowskit-Solarzellen besteht darin, dass die heute genutzten Perowskit-Kristalle nur recht kurzlebig sind und vor allem Feuchtigkeit schlecht vertragen. Nur durch eine optimiertes Materialdesign und eine ausgeklügelte Kombination von Schutzschichten lässt sich ihre Lebensdauer erhöhen. Deshalb spielen solche Solarzellen bislang kaum eine Rolle auf dem Markt.

Forschen nach Versuch und Irrtum

Bei der Forschung und Produktentwicklung herrscht derzeit häufig noch das Prinzip von Versuch und Irrtum: Die Wissenschaftler rühren ein neuartiges Perowskit an oder probieren verschiedene Produktions- und Beschichtungsverfahren aus. Danach prüfen sie das dabei entstandene Material hinsichtlich seiner Eigenschaften. „Erstaunlich viele Eigenschaften von Perowskiten sind wissenschaftlich bislang nur schlecht verstanden“, sagt Thomas Kircharzt, der mit seinem Team am Forschungszentrum Jülich an diesem Material arbeitet.

Das grundlegende Prinzip ist bei Zellen aus Perowskit dasselbe wie bei konventionellen Silizium-Solarzellen: Das einfallende Sonnenlicht überträgt seine Energie auf ein Elektron in dem Material und löst es von dem Atom, in dem es gebunden war. Dabei entsteht eine Elektronen-Leerstelle, ein sogenanntes Loch. Das negativ geladene Elektron und das positiv geladene Loch wandern dann hin zu unterschiedlichen Elektroden und erzeugen so eine elektrische Spannung, die sich nutzen lässt.